樂昌峽水電站進(jìn)水口水力模型試驗(yàn)研究

黃智敏，何小惠，鐘勇明，陳卓英，付 波

(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610)

1 前 言

樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省樂昌市境內(nèi)的北江一級支流武水樂昌峽河段內(nèi)，是一以防洪為主，結(jié)合發(fā)電、灌溉、供水、改善航運(yùn)等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐工程電站引水系統(tǒng)布置在擋水大壩的左側(cè)，主要由電站進(jìn)水口、引水隧洞、廠房、尾水隧洞、出水口等建筑物組成(見圖1)。電站安裝3臺水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為132MW，發(fā)電設(shè)計(jì)流量為3×118.04m3/s。

樂昌峽水利樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，樞紐工程的設(shè)計(jì)洪水位為162.2m，正常蓄水位154.5m，汛限水位144.5m，極限死水位138.5m。在樞紐工程電站引水系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)階段，電站進(jìn)水口進(jìn)行了兩種布置方案的水力模型試驗(yàn)比較，模型按重力相似律設(shè)計(jì)為正態(tài)，幾何比尺Lr=60。本文介紹電站進(jìn)水口兩種布置方案的水力模型試驗(yàn)研究成果。

圖1 樂昌峽水利樞紐工程平面布置

2 進(jìn)水口方案1試驗(yàn)

2.1 方案布置

電站進(jìn)水口位于壩軸線上游約200m的左岸處，三臺機(jī)組的三個(gè)進(jìn)水口并排布置，各機(jī)組隧洞中心線間距為21.5m，引水隧洞直徑為6.2m。

方案1電站進(jìn)水口為側(cè)式進(jìn)水口，三臺機(jī)組進(jìn)水口體型相同，進(jìn)水口進(jìn)口底板高程為124.9m，進(jìn)水口段由漸縮段和閘門井段組成，長度為31.7m。進(jìn)水口體型尺寸(見圖2):

(1)電站進(jìn)水口前沿進(jìn)水渠底高程為124.9m，底寬為64.5m。各進(jìn)水口漸縮段進(jìn)口斷面設(shè)分流墩分為2孔，每孔孔口凈寬8.6m、高8.2m，分流墩厚1.3m;進(jìn)水口前緣布置有一道攔污柵。

(2)各進(jìn)水口漸縮段為2孔方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長度18.5m;各漸縮段平面以直線形式漸縮至1孔，漸縮段平面總收縮角42.05°;立面頂部由進(jìn)口高度8.2m收縮至末端6.2m，收縮角為6.71°。

(3)進(jìn)水口漸縮段下游接閘門井段，閘門井為明露塔式結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝鏋?.2m×6.2m矩形斷面，設(shè)有一道事故閘門和一道檢修閘門，閘門井頂部高程為163.7m。閘門井段下游接方變圓管段，方變圓管段下游接彎管段與引水隧洞連接。

2.2 進(jìn)水口入流漩渦及防渦工程措施

2.2.1 進(jìn)水口入流漩渦形態(tài)

圖2 電站進(jìn)水口方案1布置(m)

在發(fā)電設(shè)計(jì)流量(Q=3×118.04 m3/s)運(yùn)行時(shí)，庫水位從高水位162.2m開始下降，1～3號機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)較大范圍的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)環(huán)流;庫水位降至約150.0m時(shí)，進(jìn)水口水面環(huán)流范圍和強(qiáng)度逐漸增大，并出現(xiàn)凹陷漏斗狀漩渦，尤其是1號機(jī)組進(jìn)水口水面漩渦狀況較為明顯，漩渦直徑約1.5～2.0m，此現(xiàn)象直至庫水位降至極限死水位138.5m以下才消除。

為了避免進(jìn)水口產(chǎn)生漩渦吸氣引起隧洞及機(jī)組產(chǎn)生振動等，有必要采取防渦消渦的工程措施。

2.2.2 防渦工程措施及運(yùn)行流態(tài)

參考國內(nèi)外有關(guān)電站進(jìn)水口防渦工程措施［1－4］，經(jīng)試驗(yàn)比較，得出方案1進(jìn)水口的防渦梁布置和體型見圖3:進(jìn)水口進(jìn)口前緣上方布置3道防渦梁，防渦梁高2.2m、寬1.6m，3號防渦梁與進(jìn)水口上蓋板橫梁的間距為1.4m，其余各道防渦梁間距為1.3m，防渦梁頂部高程為137.1m。

2.2.3 進(jìn)水口運(yùn)行流態(tài)

進(jìn)水口設(shè)置防渦梁后，在發(fā)電設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口水面較平靜和平穩(wěn)，進(jìn)水口(1～3號機(jī)組)水面出現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流。當(dāng)庫水位Z＜150.0m運(yùn)行時(shí)，各機(jī)組進(jìn)水口水面偶爾出現(xiàn)游動性小漩渦，無較明顯的凹陷漩渦出現(xiàn)。

2.2.4 模型進(jìn)水口入流漩渦相似問題

圖3 方案1—電站進(jìn)水口防渦梁布置(m)

由于模型進(jìn)水口水流的雷諾數(shù)Re比原型工程水流雷諾數(shù)小L1.5r倍，模型水流的粘滯力和表面張力比原型工程水流相應(yīng)要大，因此按重力相似律設(shè)計(jì)的進(jìn)水口模型的入流漩渦狀況與原型工程并不完全相似，模型比尺Lr越大，相似性越差。目前，國內(nèi)外較普遍采用加大進(jìn)水口模型試驗(yàn)的流量，使進(jìn)水口模型的雷諾數(shù)Re達(dá)到或超過某一臨界值(見表1)，以防不測。

方案1進(jìn)水口在發(fā)電設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，其Re(Re=VD/υ，V為進(jìn)水口入流平均流速，D為進(jìn)水口進(jìn)口高度，υ為水流運(yùn)動粘滯系數(shù))原型值約7.5×106，模型值約1.6×104，明顯小于表1中有關(guān)專家和學(xué)者建議的臨界值。因此，模型進(jìn)水口施放了3倍發(fā)電流量(Q=3×3×118.04m3/s)運(yùn)行的試驗(yàn)，模型進(jìn)水口入流的Re約4.8×104，可達(dá)到眾多學(xué)者提出的模型Re數(shù)臨界值的要求(見表1)。

進(jìn)水口施放3倍發(fā)電設(shè)計(jì)流量運(yùn)行的試驗(yàn)表明，在各級庫水位運(yùn)行條件下，各機(jī)組進(jìn)水口水面的環(huán)流范圍和強(qiáng)度略增大，各機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)凹陷小漩渦，但沒有形成較明顯的漏斗狀漩渦。

表1 電站進(jìn)水口雷諾數(shù)Re比較

2.3 進(jìn)水口前沿庫區(qū)流態(tài)和進(jìn)口流速分布

電站進(jìn)水口前沿區(qū)域來流較平順，水流較平穩(wěn)，無較明顯偏流和回流區(qū)。各進(jìn)水口通道的入流流速分布較均勻，流態(tài)良好。

2.4 進(jìn)水口段水頭損失

電站進(jìn)水口段水頭損失可采用式(1)～(2)計(jì)算:

式中 hj——進(jìn)水口段水頭損失，m;

H0——庫水位，m;

Hi——管道量測斷面測壓管水位，m;

V——管道量測斷面平均流速，m/s;

α——斷面流速分布系數(shù)，取α=1。

經(jīng)測試和計(jì)算，進(jìn)水口段(包括進(jìn)口漸縮段、閘門井段、方變圓管段等，總長度41.7m)的水頭損失值為0.18m，水頭損失系數(shù)η為0.22。可見，方案1電站進(jìn)水口的水頭損失較小。

3 進(jìn)水口方案2試驗(yàn)

3.1 方案布置

為了滿足工程區(qū)域河流生態(tài)的要求，電站進(jìn)水口應(yīng)盡量引取水庫上層水溫較高的水體，經(jīng)發(fā)電后輸回到下游河道。因此，工程設(shè)計(jì)將電站進(jìn)水口的體型修改為(見圖4):

(1)電站進(jìn)水口的位置和進(jìn)洞點(diǎn)與方案1相同，進(jìn)水口段由隔水門段、進(jìn)水口閘門井段、方變圓段三部分組成。

(2)進(jìn)水口底高程仍為124.9m。隔水門段(樁號0－031.7～0－014.8)主要由閘墩、攔污柵、隔水門等組成，每臺機(jī)組的隔水門段分為兩孔，每孔凈寬8.6m。進(jìn)水口閘門井段為方形管段(樁號0－014.8～0+000)，進(jìn)口斷面高度為10m，進(jìn)口斷面頂蓋板由1/4橢圓曲線漸縮為進(jìn)口高度6.2m(樁號0－009.8);進(jìn)口斷面左、右兩側(cè)墻采用半徑2.48m的1/4圓弧曲線連接。

圖4 電站進(jìn)水口方案2布置(m)

3.2 進(jìn)水口運(yùn)行方式

(1)當(dāng)水庫蓄水至死水位141.5m時(shí)，電站開始取水發(fā)電。在汛期，當(dāng)庫水位上升至汛限水位144.5m時(shí)放下隔水門，隔水門頂高程為135.4m，每孔設(shè)置有3塊隔水門板，每塊高度3.5m。電站取表層水發(fā)電，直至水庫蓄水至正常蓄水位154.5m;當(dāng)庫水位由正常蓄水位降至汛限水位時(shí)，隔水門頂高程維持為135.4m不變。

(2)當(dāng)庫水位由汛限水位144.5m下降至死水位141.5m的過程中，將隔水門逐塊吊起，保持隔水門頂有9～10m水深運(yùn)行，以降低隔水門頂上的入流流速。

3.3 進(jìn)水口入流漩渦及防渦工程措施

3.3.1 進(jìn)水口入流漩渦

(1)三臺機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行時(shí)(Q=3×118.04 m3/s)，放下隔水門，庫水位從高水位162.2m開始下降，右側(cè)1號機(jī)組進(jìn)水口右側(cè)庫區(qū)來流繞其右邊墩進(jìn)入進(jìn)水口右側(cè)通道，1號機(jī)組進(jìn)水口右通道(即隔水門段右邊孔)水面出現(xiàn)較明顯的漏斗狀漩渦，漩渦直徑約2.0～2.5m;2～3號機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)較明顯的環(huán)流和凹陷小漩渦，但沒有出現(xiàn)較明顯的漏斗狀漩渦(見圖5)。

圖5 進(jìn)水口入流漩渦和環(huán)流示意

(2)當(dāng)庫水位Z＜144.5m運(yùn)行時(shí)，將隔水門逐塊吊起(保持隔水門頂上入流水深h≥9m)，各機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)環(huán)流，水面出現(xiàn)游動性凹陷小漩渦，漩渦直徑約1.0m，此現(xiàn)象直至庫水位降至極限死水位138.5m以下。

3.3.2 防渦工程措施及運(yùn)行流態(tài)

經(jīng)多方案試驗(yàn)比較之后，得出方案2電站進(jìn)水口防渦梁的布置為:(1)各機(jī)組進(jìn)水口的各通道進(jìn)口前緣上方設(shè)置二道水平防渦梁，防渦梁高2.0m、寬1.6m，梁頂高程為138.0m，防渦梁的間距為1.3m;(2)在1號機(jī)組隔水門段右通道的攔污柵槽與隔水門槽之間上方設(shè)置三道防渦橫梁，防渦橫梁高2.0m、寬1.2m，各防渦橫梁高度間隔為1.2m，防渦橫梁布置的高程范圍為154.0～145.6m(見圖6)。

由表1可見，在發(fā)電設(shè)計(jì)流量運(yùn)行條件下，方案2進(jìn)水口模型雷諾數(shù)Re約4.5×104，比方案1進(jìn)水口模型雷諾數(shù)明顯增大，因此，對方案2進(jìn)水口進(jìn)行了增大1倍設(shè)計(jì)流量運(yùn)行的試驗(yàn)。發(fā)電設(shè)計(jì)流量和2倍發(fā)電設(shè)計(jì)流量(Q=2×3×118.04m3/s)的運(yùn)行試驗(yàn)表明:

(1)在庫水位Z=162.2～145.6m運(yùn)行時(shí)，1號機(jī)組進(jìn)水口右通道(右邊孔)水面環(huán)流中心偶爾出現(xiàn)游動性凹陷小漩渦，漩渦直徑0.8～1.0m，環(huán)流在兩門槽之間的防渦橫梁阻隔作用下，無法形成漏斗狀漩渦;2～3號機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為主的環(huán)流。

(2)在庫水位Z=145.6～144.5m運(yùn)行時(shí)，各機(jī)組進(jìn)水口正向入流流速相應(yīng)增大，1號機(jī)組進(jìn)水口右通道入流受右邊墩的影響作用減小，水面環(huán)流減弱，各機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)游動性凹陷小漩渦，漩渦沒有出現(xiàn)漏斗狀和串通。

(3)當(dāng)庫水位Z＜144.5m運(yùn)行時(shí)，將隔水門逐塊吊起，保持隔水門頂上入流水深h≥9m，各機(jī)組進(jìn)水口水面出現(xiàn)較明顯環(huán)流和游動性凹陷小漩渦，但漩渦沒有出現(xiàn)漏斗狀和串通，此現(xiàn)象直至庫水位降至極限死水位138.5m以下。

因此，電站進(jìn)水口設(shè)置了防渦梁之后，不會出現(xiàn)有害的吸氣漩渦，工程運(yùn)行是安全的。

圖6 電站進(jìn)水口方案2防渦梁布置(m)

3.4 進(jìn)水口前沿庫區(qū)流態(tài)和進(jìn)口入流流速分布

(1)當(dāng)庫水位Z≥144.5m運(yùn)行時(shí)，各隔水門孔和進(jìn)水口進(jìn)口斷面的垂線流速分布較均勻。汛限水位144.5m運(yùn)行時(shí)的隔水門頂和進(jìn)水口進(jìn)口斷面流速分布見圖7。由圖7可見，各隔水門頂垂線流速分布的特性為面流速小、底流速大，流速值約為0.7～1.2m/s;各進(jìn)水口進(jìn)口斷面入流的各垂線平均流速約2.7～3.0m/s。

(2)在庫水位Z＜138.5m運(yùn)行時(shí)，吊起隔水門，各隔水門孔入流較均勻，流速降低;各進(jìn)水口進(jìn)口斷面的流速分布特性與汛限水位(144.5m)運(yùn)行的流速分布相近。

3.5 進(jìn)水口段水頭損失

電站進(jìn)水口段設(shè)置了隔水門，進(jìn)水口段水頭損失值與庫水位Z有關(guān)。經(jīng)測試和計(jì)算，有、無隔水門的進(jìn)水口段(樁號0－031.70～0+010)水頭損失hj與庫水位Z關(guān)系見圖8。試驗(yàn)表明:

(1)在設(shè)置隔水門條件下，電站進(jìn)水口段的水頭損失比無隔水門工況運(yùn)行的水頭損失增大，如隔水門頂水深h分別在4.6m和3.1m運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口段的水頭損失值分別為1.12m和2.45m;在隔水門頂水深h≥9m的運(yùn)行條件下，進(jìn)水口段的水頭損失值hj＜0.4m。因此，在工程實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量保持在隔水門頂水深h≥9m的條件下運(yùn)行。

(2)在無隔水門運(yùn)行條件下，電站進(jìn)水口段的水頭損失hj＜0.4m，水頭損失值相應(yīng)較小。

4 結(jié)束語

(1)本文對樂昌峽水利樞紐工程電站進(jìn)水口的兩種布置方案進(jìn)行水力模型試驗(yàn)，提出了改善進(jìn)水口運(yùn)行流態(tài)、入流漩渦、水頭損失等的工程措施和方法，優(yōu)化了進(jìn)水口體型。

圖7 電站進(jìn)水口垂線流速分布

圖8 電站進(jìn)水口段水頭損失hj—庫水位Z關(guān)系

(2)試驗(yàn)研究表明，方案1進(jìn)水口的進(jìn)口入流流速、水頭損失均較小，水力特性較優(yōu)，由于無法取用水庫上層水溫較高的水體，不能滿足河流生態(tài)的要求;方案2進(jìn)水口設(shè)置了隔水門段之后，發(fā)電取水可滿足河流生態(tài)的要求，但其進(jìn)水口段水頭損失相應(yīng)增大。本文對方案2進(jìn)水口水頭損失的影響因素和變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究及分析，提出了減少電站進(jìn)水口水頭損失的運(yùn)行措施。

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